單縱模窄線寬半導體激光器是TDLAS等氣體分析監測設備的常用激光器,愛爾蘭Eblana Photonics公司離散模半導體激光器DM(Discrete mode diode laser)是一種同時具備高性能,高產量與低價格的優異產品。可以廣泛應用在:
l 氣體分析檢測
l FMCW車載激光雷達
l 超高帶寬光纖通信等領域
簡單講,DM離散模半導體激光器與DFB分布反饋式單縱模半導體激光器類似,都是在F-P法布里-波羅半導體激光器的基礎上進行二次加工,從而實現單縱模輸出。而DM離散模半導體激光器性能更出色,更適合大批量工業生產,也正因為Eblana Photonics公司擁有離散模半導體激光器大規模工業量產的能力,在提供實現性能更高單縱模激光器的同時把售價做到比競品更低。
圖1. 在F-P半導體脊波導上做刻蝕工藝
請參考(如圖1.)這是一個標準的F-P半導體激光器,Eblana Photonics公司擁有這種離散模半導體激光器制備工藝,是在F-P半導體激光器脊波導上一系列特定的位置,刻蝕上特定間距和深度的溝槽(如圖2)。
圖2.電子顯微鏡下離散模激光溝槽的形貌
這一系列溝槽結構導致的激光介質折射率變化會干擾激光在F-P諧振腔內的傳輸模式,從而導致不同波長激光在諧振腔內的增益/衰減系數不同。舉個例子,(如圖3所示,標準F-P半導體激光器的輸出包含多個縱模)
圖3.F-P半導體激光器譜線輸出(多縱模) | 圖4 溝槽結構實現單一縱模高增益 |
如前言,Eblana Photonics蝕刻出上述溝槽結構后,干擾并抑制了F-P激光器的幾乎所有縱模,而留下特定的一個縱模實現不受干擾的高增益(如圖4)。從而獲得了理想的單縱模窄線寬半導體激光輸出(如圖5)。
圖5.離散模半導體激光器是實現的單縱模輸出
我們把此種工藝加工出的半導體激光器稱之為離散模半導體激光器DM(Discrete mode diode laser)。
圖6. a.激光腔鏡間衰減系數曲線,b.離散模半導體激光器實現單縱模輸出
為了讓讀者理解方便起見,我們把上述三個曲線合在一個圖內(如圖6),圖6a,刻蝕溝槽結構后在不同波長下F-P激光腔鏡間衰減系數曲線,多數波長點高衰減系數達到的結果是把圖6右F-P半導體激光器的多數縱模成功抑制,而只留下圖6b所示單獨一個離散的縱模形成不受影響的單縱模輸出,且能保持很好的邊模抑制比(如圖約45dB)。 這種制備工藝有一個重大好處是無需再次引入半導體外延生長工藝,在提升產品性能的同時經濟性佳。
由于離散模工藝結構在內部就抑制了邊模的增益,帶來的另外一個好處是可以做到寬范圍波長調諧下無跳模,(如圖7和圖8,)
圖7. DMLD離散模半導體激光器在不同溫度下的輸出光譜,可見變溫條件下仍保持單模輸出且邊模抑制比好于40db
圖8.DMLD離散模半導體激光器在0-100度寬范圍調溫調諧波長1542-1553nm
離散模工藝結構還可以抑制反饋回F-P激光腔鏡內的激光干擾,帶來的好處是允許客戶使用規格更低的光隔離器,甚至往往不加光隔離器也可以正常工作。(如圖9)可見,和DFB分布反饋式半導體激光相比,同樣用于光纖通信應用,在同等情況下,如果希望達到同等的BER 1.E-8(即百萬分之一的比特誤碼率),DM離散模半導體激光器可允許高達-20dBm的反饋激光,而DFB分布反饋式半導體激光器只能允許-30dBm的反饋干擾激光強度。
圖9. DM離散半導體激光器與DFB分布反饋半導體激光器對反饋干擾強度的允許度
DM離散模半導體激光器比較DFB分布反饋半導體激光器的另外一個好處是可提供更窄的輸出線寬,(如圖10)相對于同等DFB分布反饋半導體激光器10MHz以上的線寬,DM離散模半導體激光器可提供大致100kHz左右的激光輸出線寬。
圖10. DM離散半導體激光器與DFB分布反饋半導體激光器的線寬更窄
小結一下,愛爾蘭Eblana Photonics公司離散模半導體激光器DM(Discrete mode diode laser),其優點是:
l 穩定的單縱模輸出
l 可提供更窄的線寬
l 超寬的工作溫度適應范圍
l 在有強光反饋的情況下仍能穩定工作
l 制造工藝簡單可靠,產量高且交期短
l 容易集成
l 低價格
下面簡單介紹一下Eblana Photonics離散模半導體激光器的一些典型應用:
氣體分析檢測:
TDLAS(可調諧二極管激光吸收光譜)是利用可調諧的窄線寬半導體激光器線寬窄與可調諧的優點,將激光器的發射峰嚴格調諧到待測氣體的吸收峰上,實現高精度,抗干擾,在線式的氣體濃度檢測。
Eblana Photonics離散模半導體激光器特點:
l 窄線寬,穩定的單縱模輸出
l 可達2nm以上的無跳模波長調諧
l 容易集成,產量高,交期短,價格低
l 寬工作溫度適應范圍,耐光反饋
NH3氨氣檢測1512nm | CH4甲烷檢測1654nm | CO一氧化碳檢測2327nm |
圖11. DM離散半導體激光器典型波長與對應氣體吸收峰位
激光雷達:
Eblana Photonics離散模半導體激光器在1550nm人眼安全波段可用于激光雷達應用。其激光線寬可窄到100kHz,適合應用于激光多普勒測速應用。另外由于可做寬范圍無跳模波長調諧,適合于高端的FMCW調頻連續波車載激光雷達應用。需要提及的是離散模半導體激光器輸出功率是mW級別,適合于做種子光源;需要在后續附加光纖放大器以達到瓦量級的輸出功率。
超高帶寬光纖通信:
在光纖通訊應用里面,激光的線寬越窄,可供使用的信道帶寬就越寬。 Eblana Photonics的離散模半導體激光器制造工藝簡單可靠,產量高且交期短,耐受嚴酷使用環境,非常適合于產業化的超高帶寬光纖通信